紡織基防彈防穿刺材料的研究回顧

陳曉鋼

(曼徹斯特大學 材料學院， 英國 曼徹斯特 M199PL)

人類歷史上的戰爭和沖突導致武器不斷發展，科學技術發展使得武器研發的進步更快，殺傷力更強。在歷史的各個時期，武器的更新和防護材料的進步基本是同步出現的[1]。例如中國歷史上關于矛和盾的記載。在冷兵器時代，使用過的個體防護材料包括皮革、織物及其混合體、鎖子甲、金屬板等。

熱兵器的出現將防護材料的選擇和使用提高到了新的水平上。第一次世界大戰期間，英國軍隊發明了用金屬片制成的鱗片式柔性防彈服，德國軍隊則使用了掛肩金屬板作為剛性防彈衣；后者由于太重，德軍防彈衣主要由不必要頻繁運動的機槍手使用。美軍在1920-1930年間將層疊的鋼板縫制到粗壯的織物中制成了最早的防彈背心，但由于重且昂貴，加之需要經常性地更換彈擊后變形的鋼板，使用者寥寥無幾[2]。聚酰胺合成纖維(錦綸)1938年問世，隨后便被用來制作軟質防彈衣，這些防彈衣在二戰和隨后的韓戰期間得以廣泛使用。1950年用于防彈的錦綸開始生產，并被大量應用到柔性防彈材料的研發制作中。錦綸軟質防彈衣對爆炸碎片的防御力較強，但由于強力仍然較低不能對子彈的打擊實現有效的防護。1965年美國杜邦公司的芳綸“凱芙拉(Kevlar?)”問世，其強力比防彈用錦綸高出1.6倍，拉伸模量高出21倍，斷裂伸長是防彈用錦綸的五分之一[3]，對高效防彈材料的研制具有革命性的意義。

目前的防彈材料有軟質和硬質之分。軟質材料由高性能纖維通過紡織技術制成，硬質材料是指陶瓷插片、復合材料插片以及金屬插片。在危險程度較低的場合，一般使用軟質防彈衣；在危險度較高的場合，例如戰場，防彈衣使用者會同時使用2種防彈材料。較之以往防彈材料，當代的防彈材料已經是輕質而且高效，但是防彈衣的防彈效果、質量，以及厚度一直是不斷改進和提高的重要目標。目前，一套完整配置的個人防彈裝備，質量仍可達14～17 kg，這樣的質量仍然會很大程度地限制防彈衣使用者的運動靈活性。武器在不斷進步和更新，這對防彈材料的防護性能也提出了更高的要求。因此，由于危險的多樣化，除了防彈，還要求防彈衣提供足夠的防穿刺性能。本文從提高纖維強度利用率和高性能輕質化發展出發，討論了紗線間的摩擦性能和結構設計等方面對材料防刺性能的影響，以期為防彈材料的研究提供新思路。

1 防彈材料的測試標準

防彈衣的防彈能力設計基于所使用環境的危險級別。名人政客、安保人員、防暴警察和作戰士兵都是防彈衣的使用者，但他們面臨的危險程度明顯不同。美國國家司法學會(National Institute of Justice，簡稱NIJ)是最早制定防護器材標準的機構，標準涵蓋防彈衣、防彈頭盔、抗穿刺防彈衣以及其他防彈材料。NIJ 0101.06《防彈服防彈性能》是NIJ制定的防彈衣測試標準[4]，將防彈材料按其被破壞程度分成了5種類型，即IIA、II、IIIA、III、IV級別和特殊類型。為使測試結果具有可比性，不同級別的防彈材料,測試時規定了所使用的子彈種類、彈頭質量和子彈飛行速度。例如IIIA級別防彈材料測試時需使用的子彈種類是0.357 SIG 全金屬外殼平頭彈頭，彈頭質量為8.1 g，測試新防彈衣的彈擊速度是(448±9.1)m/s。防彈材料達標意味著2項指標的滿足：一是子彈被防彈材料阻擋；二是防彈材料的背部變形小于44 mm。其他國家的防彈材料測試標準基本上遵循了美國NIJ的原則。英國內務部科學與發展署制定的防彈衣標準2017年版[5]將防彈級別分為HO1、HO2、HO3、HO4和SG1。HO2防彈級別材料的子彈種類是9 mm 全金屬外殼彈或背甲空心彈，彈頭質量為8.0 g，測試速度為(430±10)m/s。背部變形的最大允許范圍也是44 mm。HO3和HO4使用子彈種類是步槍7.62口徑，子彈質量分別為 9.3 g 和10.7 g，彈擊速度分別為(830±15)m/s和(820±15)m/s。防彈材料合格條件為擋住子彈且平均背部變形不超過25 mm(單次彈擊背部變形不超過 30 mm)。國內的GJB 4300—2002《軍用防彈衣防護性能標準》將防彈材料分為6級，一、二級使用51式7.62 mm鉛芯彈，三、四級使用51式7.62 mm鋼芯彈，五級使用56式7.62 mm普通彈，六級使用87式5.8 mm普通彈。6級的測試彈擊速度分別是420、525、420、525、710和920 m/s。該標準要求的背部最大變形小于25 mm。另外常見的防彈標準還包括俄羅斯的GOST R 50744-95(2002)《防護服分類和通用技術要求》、美國UL公司的商業防彈標準UL752、德國防彈標準DIN52290和國內公安部的GA 141—2010《警用防彈防護等級分類》。

2 防彈材料研究的基本問題

現代防彈材料的設計與開發需要解決如下幾個基本問題：1)材料對子彈和其他高速飛行物的阻滯效果，即材料能否在規定的質量范圍內阻擋子彈的飛行；2)子彈被阻擋之后的剩余能量造成的背部變形的形狀及深度；3)規定防彈級別材料的質量，即輕質化問題；4)防彈材料的穿著舒適性問題，這一問題不如前3項緊迫，但舒適性的改進對防彈衣的使用者也有著實際意義。

2.1 阻滯效果

防彈材料對子彈等高速沖擊物體的阻擋主要取決于原材料類別以及防彈材料的結構。盡管人們對新型材料及形態一直在進行不懈的探索，迄今為止以纖維形態出現的高性能高分子材料仍然是抗高速沖擊的主要材料，其中主要代表是芳綸和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維。2種纖維都具有柔韌、高強、高模的優勢，其斷裂伸長都在3.5%左右，適合防彈衣的加工制作并能提供較好的防彈效果。芳綸可耐500～550 ℃高溫，UHMWPE纖維的可耐溫度是150 ℃。相較于芳綸的密度1.44 g/cm3，UHMWPE纖維的為0.97 g/cm3。另外一個值得注意的區別是他們的纖維間摩擦因數，芳綸為0.22左右，UHMWPE纖維則為0.11。防彈纖維目前主要被制成機織結構，且以平紋居多，因為平紋織物中的經緯紗線交織次數最多，能有效地傳播由彈擊造成的應力和應變，提高能量吸收效率。表1列出了芳綸和UHMWPE纖維的主要力學性能指標[6]。

表1 纖維主要力學性能指標

Tab.1 Major mechanical properties of fibers

纖維類別密度/(g·cm-3)強度/(N·tex-1)彈性模量/(N·tex-1)伸長率/%Kevlar 291.442.0493.8Kevlar 491.442.1782.4Kevlar 1491.441.71151.3Twaron 1.441.7603.6Twaron HM1.442.1752.5Twaron HT1.442.4853.3Dyneema SK600.972.8913.5Dyneema SK650.973.1973.6Dyneema SK710.973.51223.7Dyneema SK750.973.51103.8Dyneema SK760.973.71203.8Spectra 9000.972.6753.6Spectra 10000.973.21103.3Spectra 20000.973.41202.9

2.2 背部變形

單兵使用的防彈衣的基礎部分要求有適度的柔軟性，以方便使用者正?；顒雍蛯I操作。機織結構的防彈材料由于其結構特點易形成較大的背部變形；由于這個以及其他的原因，UHMWPE纖維多用于制作無緯布而不是機織物。無緯布質地柔軟，其中的纖維無屈曲，可更好地利用纖維強度。基于此，芳綸也已被用來制作無緯布。無緯布的使用，有利于擴大參與變形的材料面積及減小背部變形程度。

2.3 輕質化設計

防彈材料的輕質化設計最直接的方法是采用體積密度小的原材料。目前2種主要用于防彈材料設計的纖維(芳綸(Kevlar?)和UHMWPE纖維)的體積密度都與常用的紡織纖維相當，UHMWPE纖維的體積密度更小，僅為0.97 g/cm3。強度高質量輕的新材料(包括纖維材料)的研發從來沒有停止過。材料強度利用率的提高一直以來也是降低防彈材料質量的一種重要手段。

2.4 防彈衣的穿著舒適性

盡管防彈衣的穿著舒適性與防彈水平和輕質化設計相比處于較為次要的地位，但防彈衣的熱濕舒適性是一個不容忽視的問題[7]。防彈衣穿著者一般都有較大的運動量，身體表面溫度升高并導致大量出汗，夏天和炎熱地區的情況尤其如此。由數十層纖維制成的防彈衣的透氣透濕環境相當惡劣，一定程度上影響了穿著者功能的正常發揮。為改善防彈衣的熱濕舒適性，采取過的措施包括水循環、氣循環系統以及CoolMax?纖維的使用。水、氣循環的方法使得防彈衣系統的質量增加，目前看來采用CoolMax?纖維的防護方法較為合理。

3 紡織基防彈材料的研究

在給定纖維材料類別的前提下，防彈衣材料的研究主要集中在如何有效地提高纖維材料的強度利用率[8]。防彈衣系統由多層的機織物或無緯布層疊而成，因而二維織物/無緯布的設計及其疊加方式對防彈衣的防護性能起著重要的作用。

3.1 二維織物的設計

用于防彈衣設計的二維織物主要是平紋機織物。除其結構的緊密性有利于阻滯子彈飛行外，高頻度的經緯紗交織點也有利于彈擊造成的應力波傳播。為進一步提高平紋機織物的防彈效率，在二維織物的設計方面研究者們做了很多細致的工作。

3.1.1 織物密度及紗線屈曲

Wang等[9]研究平紋織物的經緯密度和紗線屈曲與織物防彈性能的關系發現，在給定紗線線密度和織物經緯紗密度的前提下，紗線屈曲的最小化有利于織物防彈性能的提高，織物經緯密度的增加使得織物的防彈效果降低。低水平的紗線屈曲使得紗線在織物中更加接近直線，因而紗線的強度利用率提高。同時，應力波在紗線屈曲小的織物中傳播更快，可以帶動更大面積的織物吸收沖擊能量。

3.1.2 紗線間摩擦

對于給定的纖維類別，紗線間的摩擦取決于紗線間的接觸方式。經緯紗之間的摩擦力決定著經緯紗之間應力的傳播效率。Briscoe等[10]研究了纖維間表面摩擦對芳綸織物防彈性能的影響，指出纖維和紗線間的界面摩擦是影響織物彎曲剛度的重要指標，并認為該指標影響其防彈性能。當紗線間摩擦力處于低水平時，經緯紗之間的影響較小，經紗的受力不能有效地傳播到緯紗上，反之亦然。Sun等[11]通過紗線間摩擦對沖擊能量的吸收做了理論分析和數值計算發現，紗線間摩擦因數的提高可導致織物對沖擊能量吸收的提高。相關研究也指出，紗線間摩擦因數的提高有助于織物變形面積的擴大和背部變形深度的減小。Wang等對紗線間的摩擦力進行了有限元分析，也證明了紗線間摩擦對織物防彈性能的影響[12]。

紗線間的摩擦可以通過不同的方法來實現。英國曼徹斯特大學防彈材料研究組采取2種方法對紗線間摩擦進行調整。一是對纖維/紗線表面的改性和處理；二是通過織物結構的改變調整織物對紗線的握持。在纖維表面改性方面，可利用氧化石墨烯(GO)對纖維表面進行修飾[13]，一方面實現對纖維間摩擦因數的調整，另一方面在防彈復合材料方面實現對界面性質的控制。

在纖維表面用化學沉積的方法進行改性也可改變纖維表面的粗糙度，從而實現對纖維間摩擦因數的調控。Sun等在芳綸表面沉積(CH3)2Cl2Si，使得纖維間摩擦因數明顯提高[11]。處理過的芳綸表面見圖1。

圖1 化學沉積法處理過的芳綸表面

Fig.1 Aramid fibre surface treated by chemical deposition

化學沉積法處理過的芳綸從織物中抽拔時的抽拔力比處理前提高了4倍左右，但是這種方法的效率較低。Chu等用溶膠-凝膠法對芳綸織物進行處理，有效地實現了對紗線間的摩擦因數的控制，還能滿足生產需求[14]。

織物結構的改變可以實現對經緯紗之間的包纏角的調整。有研究結果證明在平紋組織中插入紗羅結構可提高經紗對緯紗的握持，從而提高織物的吸能效果。Zhou等[15]在超高分子量聚乙烯(Dyneema?)織物和芳綸(Kevlar?)織物中分別插入紗羅組織，準靜態抽拔實驗顯示(見圖2) 紗羅組織的插入對2類織物的紗線間摩擦有明顯作用。圖中， PW指普通平紋織物，PWL02指插入2 cm間隔紗羅組織的平紋織物。研究還發現紗羅插入之間的距離影響織物對彈擊能量的吸收[15-16]。

圖2 紗羅組織插入對紗線抽拔力的影響

Fig.2 Influence of leno insertion on yarn pull-out force

3.2 織物疊加

單層機織結構決定著該層織物的性能。防彈衣由多層織物疊加而成，因而疊加的方法也會對防彈衣的防彈性能產生影響[17]。

3.2.1 準各向同性織物組合

機織物是一個正交同性的材料體系，彈擊時主要靠被直接沖擊到的經緯紗線承受打擊。這些紗線被稱為首要紗線，而那些沒有被直接沖擊到的紗線叫做次要紗線。研究發現，首要紗線對能量的吸收可高達整片織物能量吸收的80%甚至以上。從這個意義上說，多向織物的使用會對能量吸收起到好的效果，然而現有的紡織技術制造多向織物尚有困難，但是實現防彈衣織物組合的各向同性(嚴格說來是準各向同性)是容易的，只需將二維織物進行轉角疊加即可。Wang等[18]和Min等[19]分別對準各向同性的防彈組合體做探索發現，由轉角排布的防彈組合體比無轉角的更能吸收子彈攜帶的沖擊能量，而且均勻的角度排列對吸能更有效。其原因是前層織物首要紗線在子彈沖擊方向上的變形對后層織物次要紗線的傳遞。圖3示出對于不同層數的織物組合體來說，準各向同性的組合體(angled)比正交同性的組合體(aligned)更能吸收能量[18]。

圖3 準各向同性和正交同性組合體的吸能比較

Fig.3 Energy adsorption of angled and aligned panels

Min等的研究進一步發現，準各向同性組合體相對于正交同性組合體的優勢與沖擊速度有關[19]。這種優勢當從速度達到某一閥值后消失。圖4示出3層準各向同性組合體(0-30-60)和正交同性組合體(0-0-0)的優勢比較。在該情況下，準各向同性組合體的優勢在彈擊速度達到475 m/s后消失。應該指出準各向同性組合體的有效性也受到層數的限制，曼徹斯特大學的實驗結果表明準各向同性組合應以小于8層為一個單元。

圖4 準各向同性與正交同性組合體的優勢比較

Fig.4 Advantage comparison for quasi-isotropic and orthogonal assemblies

3.2.2 防彈織物組合的雜化設計

防彈衣材料彈擊過程中子彈與每層織物之間的作用是變化的。簡單地說，子彈沖擊第1層時的動能是最大的，同時第1層織物受到的來自背面織物層的支撐也是最強的。隨著彈擊過程的繼續，子彈的動能逐漸減少，后續織物層受到的背面支撐將越來越弱。Yang等對一24層防彈組合體中每層織物的吸能狀況進行了分析，每層的吸能效率如圖5[20]所示。按照吸能效率的分布，他們將織物層劃分成了3個組別，每個組可根據其特點采用不同性能的材料或結構。

圖5 防彈組合織物層的吸能效率

Fig.5 Energy absorption efficiency of fabric layers in a ballistic panel

Chen等對組合體中纖維材料失效模式的探討也明顯表明，前幾層中的纖維主要是剪切破壞，而遭到破壞的最后幾層則是以拉伸破壞為主，如圖6、7所示[21]。這個結果也證明了組合體雜化設計的必要性。

圖6 防彈組合體中纖維的失效模式

Fig.6 Failure modes of fibers in a ballistic panel. (a) Fiber from front layer；(b) Fiber from rear layer

圖7 防彈組合體厚度方向的應力分布

Fig.7 Stress distribution in thickness direction of a ballistic panel

在防彈組合體的雜化設計方面，Zhou等對UHMWPE機織物和無緯布的雜化設計進行研究發現，由此2種材料制成的防彈組合有著相同或相近的面密度[22]。

Yang等[23]分析了UHMWPE機織物和無緯布的雜化組合設計，也能量吸收的角度支持了雜化設計的必要性。

3.3 三維紡織結構

Gu對三維機織結構的防彈性能做了系統的分析[24]，采用實驗和模擬相結合的方法對典型的三維正交機織結構和三維角聯鎖結構進行探討， 并與相應的二維機織物組合體進行了比較。研究結果表明，盡管三維機織結構能提供無屈曲纖維直接承受因沖擊造成的拉伸應力，但由于其他吸能機制的欠缺，其總體的比能量吸收能力要小于多層二維織物的組合體。在所設置的實驗條件下，二維織物組合體的平均比能量吸收為152.29 J·cm2/g, 而三維正交結構和三維角聯鎖結構織物的比能量吸收則分別為140.73和119.51 J·cm2/g。

Zeng等對三維機織網絡結構的防彈性能進行了初步探討[25]。這種結構有時也被稱為三維空芯結構，其本質是多層機織物相鄰織物層之間的有序聯結與分離。其特點是同一根紗線可以在不同的織物層參與交織，從而能夠更有效地在織物厚度方向傳導應力波。其實驗結果和模擬結果都反映出：該類織物結構上的不均勻性會導致織物的不同部位吸收能量水平的差異；彈擊到分離層處的能量吸收最高；在織物面密度同等的情況下，三維網絡織物的吸能比二維層疊組合體高出17%。

4 剪切增稠液的應用

剪切增稠液(STF)是一種非牛頓流體，當剪切應變率達到一定的閥值時，該流體的黏稠度會瞬間增高數百甚至上千倍，實現由流液向準固態的轉變。當剪切應力消失后，材料形態再由準固態返回到液態。這一特性受到防彈材料研究者的關注，使用時將STF與纖維防彈材料復合在一起。受到子彈沖擊之前防彈材料呈柔軟狀態；受到沖擊時，STF瞬間變硬，形成對沖擊體更有效的阻滯，并將沖擊的集中力轉化為分布力，從而降低沖擊造成的破壞和威脅。也有文獻強調STF對紗線間摩擦的作用[26]。圖8 示出由二氧化硅650 nm顆粒和聚乙二醇(PEG)200制成STF的典型剪切增稠效應[21]。

圖8 STF的剪切增稠效應

Fig.8 Shear rate and viscosity of STF

XU等[27]對STF處理過的芳綸織物做了防穿刺性能的探討，用20和650 nm的二氧化硅顆粒與PEG200按不同的濃度制作了STF，并按 1∶1 的質量比與芳綸織物復合，穿刺速度為3 m/s。研究結果表明：STF與織物復合后防穿刺效果明顯提高，可以用更少的纖維材料達到相同的防護效果；用同量的纖維材料，可以達到更高的防護效果。值得注意的是，當沖擊速度較高時，STF的防護效果變得不明顯。

5 個體防護中的雙向彎曲紡織材料

雙向彎曲紡織材料由于其結構特點在個體防護領域備受關注，例如女性防彈衣和頭盔。材料的三維殼體形狀及其紗線連續提供了防護性能的基礎條件。織造法和模壓法是三維殼體織物成型的主要方法。Buegen推出的Shape Weaving[28]用可編程的卷取軸取代了常規的卷取軸，使得在織物幅寬范圍內可按預先設定的模式進行不均勻卷取以形成雙向彎曲殼體形狀。一般平面織物由于有較高的剪切阻力，懸垂或模壓成雙向彎曲面時會造成嚴重的織物褶皺，有時為取得雙向彎曲面而不得不對織物進行切口操作，從而使得織物產生強力損失。CHEN等[29-31]利用三維織物原理優化結構參數，設計制造了可模壓的三維平面織物?；谶@種織物的三維雙向曲面的模壓成型法為女性防彈衣及防護頭盔等方面的設計提供了新方法。圖9示出了連續增強的頭盔樣品[32]。

圖9 用Air Bagging方法制成的連續增強頭盔

Fig.9 Continuous enhanced helmets by Air Bagging method

6 結束語

本文基于曼徹斯特大學的研究工作回顧了近來紡織基防彈防刺材料的研究進展及動向。作者認為：在尋求新材料新技術的同時，以纖維和纖維技術為基礎的防彈防穿刺材料仍將是未來一個階段內的主要材料形式，因此，提高纖維強度利用率的同時，時向高性能輕質化發展是未來防護材料的主要研發方向。本文從紗線間的摩擦性能、防護組合體的準各向同性設計、雜化設計、三維紡織結構以及剪切增稠流體使用的角度探討了防彈材料的防彈效果，并建議未來要在這些方向上以產業化為目的做更深入的探討。

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